第4章变压器

第4章变压器,4.1变压器原理、结构及分类4.2单相变压器4.3三相变压器4.4变压器参数的测定4.5变压器运行特性4.6特殊变压器,4.1变压器原理、结构及分类,4.1.1变压器基本原理变压器是根据电磁感应原理而制成的.它是将一种等级的交流电压和电流变换成频率相同的另一种或几种等级的交流电压和交流电流的静止电气设备。电力变压器主要是由一个闭合铁芯作为主磁路和两个匝数示同而又相互绝缘的线圈(绕组)作为电路组合而成.如图4一1所示.,下一页,返回,4.1变压器原理、结构及分类,4.1.2变压器的结构变压器的结构如图4一2所示.它主要由铁芯和原、副绕组组成。大中容量的电力变压器为了散热的需要.通常将变压器的铁毖和绕组浸人封闭的油箱中.对外线路的连接由绝缘导管引出因此.电力变压器还有绝缘套管、油箱及其他附件。1.铁芯铁毖既是变压器的主磁路.又是支撑绕组的骨架。铁毖由铁毖柱和铁扼两部分组成。根据变压器结构形式的不同.其铁芯的结构可分为壳式和心式两类。,上一页,下一页,返回,4.1变压器原理、结构及分类,2.绕组绕组是变压器的电路部分.它由铜线或铝线绕制而成。按高、低压绕组在铁,柱上的排列方式.可分为同心式绕组和交叠式绕组两类。3.油箱和变压器油油箱由钢板冲压焊接而成矩形或椭圆形变压器放置在棋满变压器油的油箱里。4.储油柜在变压器油箱上装有一个储油柜.通过连接管与油箱接通.储油柜内油面高度随油箱内变压器油热胀冷缩.以保证油箱内的油始终是充满的另外储油柜上还装有油标、吸湿器等。,上一页,下一页,返回,4.1变压器原理、结构及分类,5.气体继电器和安全气道气体继电器安装在储油柜与油箱之间的连通管内.是变压器内部发生故障时的保护装置.6.导管和调压装置导管是变压器绕组的引出线.从油箱内部引到油箱外部.绝缘导管由瓷质的绝缘导筒和导电杆构成.导管外形做成多级伞形.级数越多.耐压越高.油箱上还装有分接开关.可调节高压绕组匝数，用以调节副边输出电压,上一页,下一页,返回,4.1变压器原理、结构及分类,4.1.3变压器的额定值每一台变压器出厂时.油箱上都钉有一块铭牌.制造厂在铭牌上标出了变压器的额定值.如图4一3所示。额定值规定的运行情况称为额定运行情况.变压器在额定情况下运行时.技术经济指标较好.可以长期可靠地工作。1.型号2.额定容量SN(kVA)3.额定电压U1n,U2n(kV)4.额定电流I1n,I2n(A),上一页,下一页,返回,4.1变压器原理、结构及分类,4.1.4变压器的分类变压器可以按照用途、结构、冷却方式和相数分类。按照用途.变压器可分为:(1)电力变压器.主要用于输电、配电和用电部门.在变压器产品中占有很大的比例;(2)特种变压器.如整流变压器、电炉变压器、电焊变压器、试验用高压变压器和调压器;(3)仪用互感器.如测量用的电流互感器和电压互感器。,上一页,下一页,返回,4.1变压器原理、结构及分类,按照绕组数目.变压器可分为:(1)单绕组变压器(自祸变压器);(2)双绕组变压器;(3)三绕组变压器。按照冷却条件.变压器可分为:(1)油浸变压器。变压器的铁芯和绕组浸在变压器油中.油浸变压器又可分为油浸自冷和油浸强冷两类;(2)空冷式变压器。铁芯和绕组用空气冷却。按照相数.变压器可分为:(1)单相变压器;(2)三相变压器;(3)多相变压器.,上一页,返回,4.2单相变压器,1.空载运行时的物理状况变压器空载运行.是指变压器原边接在额定电压的交流电源上.副绕组开路时的工作状态.如图4一4所示。2.变压器的感应电动势和变比变压器中的电压、电流、磁通和感应电动势的大小及方向都随时间而变化.为了正确地表明它们之间的相位关系.必须先规定它们的正方向.通常按电工习惯方式。规定正方向.称为电工惯例。1)感应电动势由于外加电压为正弦波.则可设、1s中均按正弦规律变化.则、1s分别在原、副绕组产生的感应电动势为:,下一页,返回,4.2单相变压器,2)电压平衡方程式3.变压器空载时的等效电路与相量图变压器空载时.根据相量形式表示的电动势平衡方程式，可以画出变压器空载时的相量图.如图4一5所示。,上一页,下一页,返回,4.2单相变压器,4.2.2变压器的负载运行1.负载运行时的物理状况变压器的负载运行是指原绕组接至额定电压的交流电源上.副绕组接上负载时的工作状态.如图4一6所示。2.变压器负载时的磁动势平衡方程式变压器负载后.原绕组磁动势和副绕组磁动势都同时作用在主磁路上,共同产生磁通.故磁动势平衡方程为:,上一页,下一页,返回,4.2单相变压器,3.变压器负载时的电动势平衡方程式,上一页,返回,4.3三相变压器,4.3.1三相变压器的磁路系统1.三相变压器组的磁路三相变压器组是由三个单相变压器按一定方式连接起来组成的.如图4一7所示。由于每相的磁通各自沿自己的磁路闭合.因此相互之间是独立的.彼此无关的。当一次侧绕组加上三相对称电压时.三相的主磁通必然对称.三相的空载电流也是对称的.,下一页,返回,4.3三相变压器,2.三相心式变压器的磁路三相变压器的另一种结构形式是把三个单相变压器分成一个三相铁毖柱的结构形式.称为三相心式变压器。当绕组流过三相交流电时.通过中间铁芯柱的磁通量是U,V,W三个铁芯柱磁通量的总和。当外电压对称时，中间的铁芯柱可以省去.为了进一步节省材料.可以将三相铁芯布置在同一平面内.即演变成常用的三相心式变压器铁芯.它的特点是两边两相磁路的磁阻比中间相的大。当外加的电压对称时.各相磁通相等.但空载电流不等.中间相空载电流较小。,上一页,下一页,返回,4.3三相变压器,4.3.2变压器绕组的极性1.单相变压器绕组的极性由于变压器的原、副绕组在同一铁芯上.因此都被磁通交链。当磁通变化时.在两个绕组中的感应电动势也有一定的方向性.当原绕组的某一端点瞬时电位为正时.副绕组也必有一电位为正的对应点.这两个对应的端点就称为同极性端或同名端.用符号表示。对于两个绕向已知的绕组.可以从电流的流向和它们所产生的磁通方向判断其同名端。,上一页,下一页,返回,4.3三相变压器,2.单相变压器绕组极性的判别在通常情况下.我们并不知道变压器绕组的方向.因此同名端不可能通过观察分析知道.而只能通过实验的方法得到。1)交流法2)直流法,上一页,下一页,返回,4.3三相变压器,4.3.3三相变压器的联结组1.三相变压器绕组的连接法一般三相电力变压器中无论是高压绕组.还是低压绕组.均采用星形联结和三角形联结两种方式如图4一8所示.将三相绕组的末端联结在一起.而由三个首端引出.则为星形联结.用字母Y或Y表示.如果有中点引出.则用YN或yn表示.如图4一8(a),(b)所示;将三相绕组的各相绕组首末端相连(规定按A-X-C-Z-B-Y-A联结)而成闭合回路.再由三个首端引出.则为三角形联结.用字母D或d表示.如图4一8(c)所示。,上一页,下一页,返回,4.3三相变压器,2.变压器的联结组由于变压器绕组可以采用不同的联结.因此原绕组和副绕组的对应线电动势(或线电压)之间将产生不同的相位移。为了简单明了地表达绕组的联结及对应线电动势(或线电压)之间的相位关系.将变压器原、副绕组的联结分成不同的组合.称为绕组的联结组。联结组标号按照电力变压器的国家标准GB1092.1-1996中的“时钟序数表示法”进行确定.即把高压侧相量图在A点对称轴位置的相量作为时钟的长针(即分针).始终指向钟面的“12”处.根据高低压侧绕组相电动势(或相电压)的相关位置作出的低压侧相量图.其相量图在a点对称轴位置处的相量作为时钟的短针(即时针).它所指的钟点数即为该变压器的联结组的标号。,上一页,下一页,返回,4.3三相变压器,4.3.4三相变压器的并联运行在电力系统中.常采用多台变压器并联运行的运行方式。所谓并联运行.就是将两台或两台以上的变压器的一次、二次绕组分别并联到公共母线上.同时对负载供电。变压器并联运行时有很多的优点.主要是:(1)提高供电的可靠性.并联运行的某台变压器发生故障或需要检修时.可以将它从电网上切除.而电网仍能继续供电;(2)提高运行的经济性.当负载有较大的变化时.可以调整并联运行变压器的数目.以提高运行的效率;(3)可以减少总的备用容量,并可随着用电量的增加而分批增加新的变压器;当然,并联运行的台数过多也是不经济的.,上一页,下一页,返回,4.3三相变压器,变压器并联运行的理想情况是:(1)空载时并联运行的各台变压器之间没有环流;(2)负载运行时.各台变压器所分担的负载电流按其容量的大小成比例分配.使各台变压器能同时达到满载状态.使并联运行的各台变压器的容量得到充分利用;(3)负载运行时.各台变压器二次电流同相位.当总的负载电流一定时,各台变压器所分担的电流最小;如果各台变压器的二次电流一定.则承担的负载电流最大。,上一页,下一页,返回,4.3三相变压器,为了达到上述理想的并联运行要求.则需要满足下列三个条件:(1)并联运行的各台变压器的额定电压应相等.(2)并联运行的各台变压器的联结组号必须相同;(3)并联运行的各台变压器的短路阻抗(或阻抗电压)的相对值要相等.,上一页,返回,4.4变压器参数的测定,4.4.1变压器的空载试验变压器空载实验的任务是测量变压器的空载电流l0、空载电压U0和空载损耗P0.求出变比K和激磁参数Zf、rf、Xf。变压器空载实验电路如图4一9所示，实验时调压器TC加上工频的正弦交流电源.调节调压器的输出电压使其等于额定电压U1N.然后测量U1,I0,U2u。及空载损耗(即空载输人功率)P0.,下一页,返回,4.4变压器参数的测定,4.4.2励磁阻抗计算根据变压器等效电路可知.变压器在空载时的阻抗为在电力变压器中一般情况下.rfR1、XfX1.因此,Z0Zf.故有:励磁阻抗:励磁电阻:励磁电抗:电压比:,上一页,下一页,返回,4.4变压器参数的测定,4.4.3变压器的短路试验变压器短路试验的任务就是要测量变压器的短路电压Uk短路电流Ik和短路损耗Pk.求出短路参数Zk,rk,Xk等。变压器短路试验的电路接线如图4一10所示。短路试验可以在变压器的任意一侧加压进行.但由于短路电流较大.故加压很低(通常Uk(5%100%)U1N)一般在高压侧加压.低压侧用导线短接。由于试验电压很低.为提高测量的准确度.将电压表和功率表的电压线圈接在原绕组的出线端。短路试验时.用调压器TC使高压侧的电流从零升到额定电流I1N.分别测量其短路电压Uk、短路电流Ik和短路损耗Pk.并记录试验时的室温()。,上一页,下一页,返回,4.4变压器参数的测定,4.4.4短路阻抗计算短路试验时.因为UK很低.所以很小.故励磁电流和铁耗均很小.可以忽略不计。由此可得短路试验的等值电路如图4一11所示。这时输人功率(短路损耗)P,完全消耗在绕组的电阻损耗上.,上一页,返回,4.5变压器运行特性,4.5.1电压变化率变压器带负载运行时.副边端电压的变化程度通常用电压变化率来表不。电压变化率是指原绕组接在额定频率和额定电压的电网上.负载功率因数一定时.从空载到负载运行时副边端电压的变化量与额定电压的百分比.用U%表示.,下一页,返回,4.5变压器运行特性,4.5.2变压器的外特性由于变压器内部存在电阻和漏电抗.因此在负载运行时.当负载电流流过副绕组时.变压器内部将产生阻抗压降.使副边端电压随负载电流的变化而变化.这种变化关系可用变压器的外特性来描述。变压器的外特性是指当原绕组电压和负载功率因数一定时。副绕组输出电压随负载电流变化而变化的规律.变压器的外特性曲线如图4一12所示。,上一页,下一页,返回,4.5变压器运行特性,4.5.3变压器效率1.变压器的损耗变压器的损耗包括铁耗和铜耗两大类。（1）铁耗。由于铁芯中的磁通是交变的.所以在铁芯和构件中要产生磁滞损耗和涡流损耗.通称为铁芯损耗.即铁耗，当电源电压一定时.铁耗基本上是恒定的.称为不变损耗.与负载电流的大小和性质无关。额定电压下.所测得的空载损耗近似等于铁耗。（2）铜耗。它是变压器电流分别流过原、副绕组电阻所产生的损耗之和.,上一页,下一页,返回,4.5变压器运行特性,2.变压器的效率变压器的效率是指输出功率与输人功率的比值。3.变压器的效率特性当变压器工作在负载功率因数为常值的条件下。其效率享与负载系数之间的关系，称为变压器的效率特性.其变化规律如图4一13所示.通过数学方法可求得出现最高效率的条件是:可变损耗等于不变损耗。,上一页,返回,4.6特殊变压器,4.6.1仪用互感器1.电流互感器电流互感器的结构、工作原理同单相变压器相似。它由铁毖和原、副绕组两个主要部分组成。原绕组的匝数较少一般只有一匝到几匝.用粗导线绕制而成.使用时串联在被测电路中.流过被测电流;副绕组匝数很多.用较细的导线绕制而成一般接电流表或功率表的电流线圈.它的阻抗很小.负载近似为零图4一14为电流互感器的原理图.,下一页,返回,4.6特殊变压器,2.电压互感器电压互感器实质上就是一个降压变压器.是由铁芯和原、副绕组两个主要部分组成的。原绕组匝数多.并联在被测电路中;副绕组匝数少.接在高阻抗的仪表上.如接在电压表、功率表或电度表的电压线圈上。因此副绕组的电流很小.正常运行时.近似空载运行。如图4一15所示为电压互感器的工作原理.,上一页,下一页,返回,4.6特殊变压器,4.6.2自祸变压器1.自祸变压器的结构特点自祸变压器是单绕组变压器.其原、副绕组共用一个线圈.绕在闭合的铁毖上.副绕组是原绕组的一部分。根据输出电压是否可以调节.自祸变压器可分为可调式和固定式两种。自祸变压器的工作原理如图4一16所示。自祸变压器的原、副绕组之间除了有磁的祸合外.还有电的直接联系。若自祸变压器的抽头做成可滑动触点.可构成一个电压可调的自祸变压器.也称为自祸调压器.其电路原理如图4一17所示。它的铁芯做成圆环形.将绕组均匀地绕在上面.滑动接触点一般用电刷构成触头与手柄相连.可以根据需要旋转手柄以改变输出电压.,上一页,下一页,返回,4.6特殊变压器,2.自耦变压器的原理自耦变压器也是利用电磁感应原理工作的.当原绕组两端加电压时.铁芯中产生交变磁通.并在原绕组和副绕组中产生感应电动势。自耦变压器原、副绕组中的电流大小与匝数成反比.且在相位上互差180.因此流经公共绕组中的电流的大小为原、副绕组的电流之差.当变比接近于1时.公共部分电流很小.因此这部分可以用较细的导线绕成.减小变压器的体积和质量。自耦变压器的输出功率由两部分组成.其中，部分是依据电磁感